Nyt design til nanopartikler, der absorberer lavenergilys, udsender højenergilys kan finde anvendelse i biologisk billeddannelse

Det lys, som en selvlysende partikel udsender, er normalt mindre energisk end det lys, det absorberer. Nogle applikationer kræver, at det udsendte lys er mere energisk, men denne såkaldte opkonverteringsproces er blevet observeret i kun en lille håndfuld materialer. Xiaogang Liu ved A*STAR Institute of Materials Research and Engineering og medarbejdere er nu lykkedes med at udvide listen over upconversion-materialer, lette vejen til nye applikationer.

Traditionelle opkonverteringspartikler kendetegnes ved deres jævnt fordelte eller 'stige-lignende' energiniveauer, som deres interne elektroner kan tage på. De jævne mellemrum gør det muligt at promovere en elektron i energi mange gange i træk, ved at absorbere mange fotoner i samme farve. Når en elektron, der er blevet forfremmet til en høj energi, endelig slapper tilbage til tilstanden med den laveste energi, den udsender en foton, der er mere energisk end de fotoner, der begejstrede den til at begynde med.

Nanopartikler dopet med elementer fra lanthanidgruppen i det periodiske system er i stand til at konvertere, og er nyttige til biologisk billeddannelse, fordi deres højenergiemission klart kan skelnes fra baggrundsstøj. Imidlertid, kun tre elementer fra lanthanidserien er effektive til opkonvertering:erbium, thulium, og holmium. Denne liste er så kort på grund af de samtidige krav, at en opkonverteringspartikel udviser en stigerlignende elektronisk energistruktur, og også effektiv emission.

Liu og kolleger løste dette problem ved at bruge forskellige lanthanider til at udføre forskellige stadier af opkonverteringsprocessen. Sensitizer -elementer absorberer indfaldende lys, og overføre den absorberede energi til nærliggende akkumulatorer, hvis elektroner stiger til høje energiniveauer. Derefter, energien lagret i akkumulatorer overføres ved at hoppe gennem mange migranter, indtil en aktivator er nået. Endelig, aktivatoren frigiver en højenergifoton.

Ved at tildele forskellige elementer til hver af disse fire funktioner, forskerne var i stand til at lette kravene til ethvert individuelt element. Ud over, uønskede interaktioner mellem forskellige elementer blev undgået ved at adskille dem rumligt i en enkelt sfærisk nanopartikel, der har sensibilisatorer og akkumulatorer i kernen, aktivatorer i skallen og migranter i både kernen og skallen.

Dette design gav Liu og hans team mulighed for at observere et spektrum af farver fra den opkonverterede emission af europium, terbium, dysprosium og samarium (se billede). Den samme tilgang kan også give andre elementer mulighed for at udsende effektivt. ”Vores resultater kan føre til fremskridt inden for ultralydsfølsom biodetektion, ”Siger Liu, "Og burde inspirere flere forskere til at arbejde på dette område."